物理学中的“四大神兽”

赵君鹏

为了更好地阐述自己的想法，物理学家喜欢通过讲故事来进行形象的说明。物理学界的“四大神兽”便是这样诞生的，它们分别是芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫。

芝诺的乌龟

古希腊哲学家芝诺曾讲过这样一个故事：乌龟和阿喀琉斯赛跑。阿喀琉斯身为海洋女神之子，号称希腊第一勇士，身体强壮，奔跑速度比乌龟快十倍。赛跑时，他很有体育精神，让乌龟先跑一百米，然后自己才发力追赶。等到他跑了一百米时，乌龟比他领先十米;等他又追了十米时，乌龟比他领先了一米。如此反复，阿喀琉斯什么时候能追上这只乌龟呢？在注重严密推理和严谨论证的物理学界，这个问题困扰了物理学家两千年。其实单靠物理学是无法解释清楚这个问题的，因为它涉及数学的极限概念。这个问题一直到微积分这门学科的创立才得到解决。

拉普拉斯兽

两百年前，法国物理学家拉普拉斯根据牛顿定律，设想宇宙间存在一只神兽，它神通广大，无所不知，能知道宇宙间每一个原子的位置和动量，并且会通过牛顿的物理公式计算出宇宙的过去和未来。人们管拉普拉斯设想出的这只神兽叫拉普拉斯兽。

这只“上知五百年，下知五百年”的神兽并没有困扰物理学家很久。1927年，德国物理学家海森堡提出，在微观世界中不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，也就是说，粒子的状态是不确定的，这就是“不确定性原理”。再厉害的神兽也无法知道微观世界的全部面貌，所以即使在虚拟世界里，洞悉万物的神兽也是不存在的。

麦克斯韦妖

两个容积相同的水箱，左边的水温40摄氏度，右边的水温60摄氏度。如果两个水箱中的水完全混合，水温将是50摄氏度。英国物理学家麦克斯韦就想：为什么不能是一个20摄氏度，另一个80摄氏度呢？1871年，他设想出一个精灵，它能够探测出分子运动的速度。混合冷热不同的水之后，精灵迅速出击，将运动慢的水分子移到左边，再将运动快的水分子移到右边。这样一来，不就是左边的水温低，右边的水温高了吗？这个精灵被人称作麦克斯韦妖。如果这样的精灵真实存在，创造永动机将成为现实，宇宙的寿命也将会变得无限长。

在1948年，一个新的学说——信息熵产生了。通过这个学说，人们得知麦克斯韦妖要获知分子运动速度，势必损耗分子的能量。也就是说，在麦克斯韦妖探知和搬运分子的过程中，分子运动速度始终处于不确定状态。所以，麦克斯韦妖是不可能实现它的目标的。

薛定谔的猫

“活着还是死去？”这个问题让哈姆雷特很头疼。但对“薛定谔的猫”来说，这根本不是事儿，因为这只猫可以“既死又活”。1935年，奥地利量子力学家薛定谔提出了这样一个设想：将一只猫关在装有毒药和少量镭的铁盒子里。如果镭已经发生衰变，触发机关打碎装有毒药的瓶子，猫就会死;如果镭尚未发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，在人们打开盒子观察之前，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加状态，猫会处于死猫和活猫的叠加状态，也就是说，这只猫既死又活。

虽然这只猫和砸在牛顿头上的那个苹果一样有名，但显然“既死又活的猫”不像万有引力那样容易理解。要想认识这只猫，我们得先了解一下什么是量子力学。20世纪初，一些物理学家共同创立了量子力学，他们认为微观世界和宏观世界有着很大的不同。比如粒子可以存在于叠加状态中，能同时拥有两个相反的特性。举例来说，生活中我们常说“不是在咖啡馆，就是在去咖啡馆的路上”，而在量子力学看来，粒子是可以处于“既在咖啡馆又在路上”的状态的。

物理学中的四大神兽，分别以形象生动的方式阐明了各自提出者的想法，从而引起了人们的极大兴趣。虽然在物理学发展的过程中，有些神兽的“超能力”被证明不可能存在，但是它们也以自己的方式推动了物理学的发展。

（选自2019年第12期《知識窗》，本刊有改动）